[发明专利]一种锂离子二次电池负极及其制备方法、锂离子二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子二次电池技术领域，涉及一种锂离子二次电池负极及其制备方法、锂离子二次电池，尤其涉及一种柔性、超疏水的锂离子二次电池负极及其制备方法、锂离子二次电池。

背景技术

锂电池具有工作电压高、比能量高、循环寿命长、重量轻、自放电少、无记忆效应与性能价格比高等优点，已成为高功率电动车辆、人造卫星、航空航天等领域可充式电源的主要选择对象。因此锂电池及其相关材料成为科研人员的研究热点。

锂离子电池通常包括正极、负极、隔膜、电解液和壳体，电极材料是锂电池关键材料之一，决定着锂电池的走向。目前常规的研究大多集中在锂电池的正极材料上，如钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂以及NCM、NCA等三元材料。然而，随着人们对于电子设备中电池容量以及长循环寿命更高的要求，已有锂离子电池的性能还是无法满足应用需求，研究人员又逐渐将研究的方向转移到另一个决定锂离子电池性能的关键因素--负极材料。

通常锂离子电池的负极材料主要分为两种：石墨系碳(graphite)，包括天然石墨、人工石墨和类石墨(如中间相碳微球)等，石墨为层状结构，由碳网平面沿C轴堆积而成，平面碳层由碳原子呈六角形排列并向二维方向延伸，碳层间以弱的范德华力结合，锂可以嵌在碳层之间；以及非石墨碳材包括硬碳和软碳(如焦碳系)等，其中硬碳不易石墨化，是一种与石墨不同的近似非晶结构的碳材料，晶体尺寸较小，通常在几个纳米以下，呈无规则排列，有细微空隙存在，嵌锂容量高，但一般第一周充放电效率低，循环性能差。由于石墨系的重量能量密度较高且材料本身的结构具有较高的规则性，所以第一次放电的不可逆电容量会较低，另外石墨系负极材料具有平稳工作电压作用，对电子产品的使用和充电器的设计较具优势。因而，现有的商品化锂离子电池大多采用石墨类负极材料，就是因为此类材料具有循环寿命长以及低成本的优势。

但是，石墨类负极材料理论容量较低，只有372mAh/g，循环稳定性差、高倍率充放电易引起容量的降低，已经无法满足日益发展的便携电子设备，储能设器件及电动汽车等对于能量密度、高倍率充放电性能的要求。

因此，发展具有高能量密度、高倍率、高循环稳定性的新型锂离子电池负极材料显得越来越迫切，已成为领域内众多前沿科研人员广为关注的焦点之一。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种锂离子二次电池负极及其制备方法、锂离子二次电池，本发明通过一步法，得到了一体化的锂离子二次电池负极具有较高的孔道利用率和连通性，较强的传质能力，提高了充放电利用率和循环次数，而且具有可弯曲的性能。

本发明提供了一种锂离子电池负极的制备方法，包括以下步骤：

A)在保护性气氛下，将金属材料置于三聚氰胺上方，经过焙烧后，得到锂离子电池负极；

所述金属材料包括铁、镍和铁镍合金中的一种或多种。

优选的，所述焙烧的温度为600～800℃；

所述焙烧的时间为2～4h；

所述焙烧的升温速率为5～8℃/min。

优选的，所述金属材料的形状包括箔状和/或网状；

所述金属材料包括不锈钢。

优选的，所述步骤A)具体为：

A1)先将三聚氰胺先放入焙烧设备的方舟中，然后将透气多孔材料覆盖在方舟上，再将金属材料置于透气多孔材料上；

A2)在保护性气氛下，经过焙烧后，得到锂离子电池负极。

优选的，所述透气多孔材料包括碳纸、碳布、玻璃纤维和石棉网中的一种或多种；

所述三聚氰胺和所述金属材料的质量比为(1～5)：1。

本发明提供了一种锂离子电池负极，包括金属材料和复合在金属材料表面的氮掺杂碳纳米管；

所述金属材料包括铁、镍和铁镍合金中的一种或多种。

优选的，所述金属材料的形状包括箔状和/或网状；

所述氮和碳的摩尔比为1：(10～20)。

优选的，所述氮掺杂碳纳米管具有空心管结构；

所述碳纳米管的长度为5～10μm；

所述碳纳米管的直径为50～150nm。

优选的，所述氮掺杂碳纳米管为氮掺杂碳纳米管阵列；

所述锂离子电池负极具有多级的孔道结构。

本发明还提供了一种锂离子电池，包括上述技术方案任意一项所制备的锂离子电池负极或上述技术方案任意一项所述的锂离子电池负极、隔膜和正极。